正交试验法在C50自密实混凝土配合比设计中的应用

王 莹

（北京金隅混凝土有限公司）

前言

JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》将自密实混凝土定义为具有高流动性、均匀性和稳定性，浇筑时无需外力振捣，能够在自重作用下流动并充满模板空间的混凝土。自密实混凝土因其具有良好的密实性、能够提高生产效率，改善工作环境和安全性、改善混凝土表面质量、增加了结构设计的自由度等诸多优点，被称为近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展。本研究从实际工程应用入手，结合正交试验法，确定C50自密实混凝土的最佳配合比及工艺参数，采用普通材料与常规工艺配置出C50自密实泵送混凝土，并成功应用于浦项中心项目，为自密实混凝土的配合比设计奠定了一定的理论基础，并具有广泛的实践意义。

1 正交试验法

正交试验法，就是使用已经造好了的正交表来安排试验并进行数据分析的一种方法。它简单易行，计算表格化，完成试验要求所需的实验次数少，数据点的分布很均匀，可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，从而得出有价值的结论。正交试验设计方法是用正交表来安排试验的。

本文采用L9（34），它表示需作9次实验，最多可观察4个因素，每个因素均为3水平。从C50自密实混凝土拌合物性能及力学性能两方面综合比较砂率、掺和料取代率、不同掺和料比例、硅灰掺取代率四个因素的影响，每个因素相应设置三个水平来安排试验并进行极差分析，从而得出最终较为理想的配合比。

2 试验用原材料

2.1 水泥：选用北京金隅琉璃河P.O.42.5水泥.3天强度为33.1MPa，28天强度为62.4MPa。

2.2 矿粉：采用三河天龙S95级矿粉，其物理力学性能如表2。

2.3 粉煤灰：采用北京金龙达通商贸有限公司供应的天津蓟县I级粉煤灰。其物理力学性能如表3。

2.4 石子：选用北京鹏盛天顺石料有限公司供应的5mm～16mm山碎石，压碎指标为5.4%，针片状含量4.2%，含泥量、泥块含量为零。各项指标均符合CECS104:99《高强混凝土结构技术规程》的规定。

2.5 砂：采用滦平县赢盘砂石经销站供应的II区中砂，细度模数2.9，含泥量1.4%，泥块含量0%。

2.6 减水剂：采用北京金隅水泥节能科技有限公司研发的聚羧酸高性能减水剂。减水率34%，28天收缩率比99%，28天抗压强度比197%。

2.7 硅粉：采用北京信源嘉晟商贸有限公司生产的95#微硅粉。二氧化硅含量86.22%。

3 C50自密实混凝土配合比的确定

3.1 混凝土试配强度的确定

根据 JGJ 55 - 2011《普通混凝土配合比设计规程》,考虑到自密实混凝土施工免振捣的特点, 因此试配强度较普通混凝土提高10%，增大自密实混凝土强度保障率。另外，考虑到混凝土的生产控制过程的自动化及同等级混凝土的历史统计数据强度标准差σ取5.0，则fcuo=50×1.1+1.645σ=63.2MPa。经计算水胶比为0.33，用水量选定为165kg/m3，计算总胶材用量为500kg/m3。

3.2 配合比设计方案

3.2.1 采用L9（34）正交方案，考察因素四个，分别为：A.砂率；B.掺和料取代率；C.不同掺和料比例；D.硅灰掺取代率；如表4所示。

3.2.2 具体试验用配合比及其性能指标

3.2.3 试验小结

通过正交试验及方差分析得知（篇幅有限不赘述），砂率、不同掺和料比例、硅灰取代率对坍落扩展度都有较大影响，即影响自密实混凝土的填充性能。砂率对T500的影响程度最大，即对自密实混凝土的流动速度影响最为显著。此外，随着硅灰掺量的提高，坍落扩展度有所降低，但混凝土松软度有所改善，对混凝土28天强度基本无影响。掺和料的取代率以及不同掺和料比例对混凝土7天强度影响较大，而对28天强度影响不明显，可以看出掺和料对混凝土早期强度贡献：粉煤灰＜矿粉＜水泥，同时也说明粉煤灰、矿粉对混凝土后期强度增长有突出贡献。

表1 水泥物理力学性能

表2 矿粉物理力学性能

表3 粉煤灰物理力学性能

表4 因素水平表

3.2.4 确定最终配合比

兼顾自密实混凝土的强度、填充性能、流动速度，经多次试验验证后确定最终配合比方案为A3B2C2D2，如表7、表8所示。

4 工程验证

浦项中心主体工程有地块东侧A塔楼、南侧B塔楼及裙楼组成，占地面积20021m2，总建筑面积163265m2。其中A塔楼地上33层，结构高度140.9m，B塔楼地上25层，结构高度105.5m，裙房3层，结构高度16.8m，地下四层。C50自密实混凝土主要应用于B区地上三层裙房框架柱（因结构特殊性无法振捣）。

表5 水平组合表

表6 配合比及性能指标

表7 最终选定配合比

表8 试验结果

图1 初始坍落扩展度

图2 J环扩展度

图3 拆模后实体外观

根据现场成型的混凝土28天标养试块强度推断混凝土实体强度满足设计强度要求，且表观质量良好，无蜂窝、麻面、气孔。下图为拆模后的实体外观。

结论

（1）采用正交试验法进行配合比设计，其结果能客观的反应配制的规律，能够较方便的进行配合比优化。

（2）通过正交试验确定的工程使用混凝土的配合比，其28天标养试块强度及表观效果都达到了设计及规范要求。

（3）为简化试验步骤，正交试验设计过程中较多的考虑了影响自密实混凝土流变性因素，对力学性能因素考虑不足，例如水胶比、外加剂掺量等因素。